LEICHTBAU. Additive. Manufacturing

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Frieder Krämer
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1 LEICHTBAU AM Additive Manufacturing

2 Das Verfahren ELiSE AM: zur Auslegung von Additive Manufacturing Bauteilen Das Potenzial von ELiSE AM zeigen wir Ihnen am Beispiel des innovativen Faltrades Bionic Bike. 2

3 ELiSE AM für Ihr Produkt ELiSE Leichtbau ist ein einzigartiger bionischer Produktentstehungsprozess für überlegene Leichtbaulösungen. In unseren Projekten werden Gewichtsreduktionen von über 50%, kostengünstige Materialsubstitutionen und hohe Performancesteigerungen ermöglicht, sowie bessere Produkte durch Funktionsintegration entwickelt. ELiSE Leichtbau wird branchen-, werkstoff- und fertigungsübergreifend eingesetzt. Zur erfolgreichen Entwicklung Ihres Produkts im Additive Manufacturing kommt ELiSE AM zum Einsatz. Mit ELiSE AM erschließen Sie das volle Potenzial von Additive Manufacturing und der bionischen Strukturoptimierung von ELiSE Leichtbau gleichermaßen. Auf diese Weise erreichen wir die Freiheit bislang nicht umsetzbare Produkte zu realisieren. Ist AM interessant für mich? Trifft mindestens einer der folgenden Punkte auf Ihr Produkt zu, lohnt sich eine nähere Betrachtung additiver Fertigungsmöglichkeiten: o Gewichtsreduktion und Leichtbau sind wichtige Faktoren für mein Produkt o Mein Produkt besteht aus vielen Einzelkomponenten. Durch Funktionsintegration in ein Bauteil erschließe ich Kostenvorteile o Wenn ich keine Einschränkungen durch den Fertigungsprozess hätte, würde mein Produkt anders aussehen o Durch hohe Individualisierung meines Produkts sind viele Werkzeuge erforderlich o Bis zur Fertigung einer neuen Konstruktion vergeht viel Zeit o Meine Stückzahlen sind gering oder mein Produkt hat sehr kleine geometrische Maße 3

entwickelt. ELiSE Leichtbau wird branchen-, werkstoff- und fertigungsübergreifend eingesetzt. Zur erfolgreichen Entwicklung Ihres Produkts im Additive Manufacturing kommt ELiSE AM zum Einsatz.

4 Additive Manufacturing Status Quo Stützstrukturen Bauteil Begriffserklärung Die Begriffe Additive Manufacturing, 3D-Druck oder generative Fertigungsverfahren sind umfassende Bezeichnungen für die schichtweise Fertigung von Bauteilen. Bauplattform Fertigung im Laserstrahlschmelz-Verfahren (SLM) durch die citim GmbH Urheber citim GmbH 4

umfassende Bezeichnungen für die schichtweise Fertigung von Bauteilen.

5 Additive Manufacturing entwickelt sich zu einer neuen Kerntechnologie, die vorhandene Verfahren ergänzt. Durch kontinuierlich sinkende Kosten steigt der Marktanteil von additiv gefertigten Produkten kontinuierlich. Die Möglichkeit Bauteile additiv zu fertigen erhöht die Funktionalität und Performance von technischen Lösungen. Da die Kosten im Vergleich zu konventionell gefertigten Produkten derzeit noch höher sind, ist es notwendig bereits zu Beginn der Produktentwicklung die Fertigungsbedingungen des Additive Manufacturings zu berücksichtigen. Um Vorteile der additiven Fertigung wie die deutlich freiere Formgebung gegenüber den konventionellen Verfahren möglichst wirtschaftlich zu nutzen, ist eine verfahrensgerechte Produktauslegung notwendig. Der Fertigungsprozess Durch das additive Fügen von Werkstoffschichten entsteht das dreidimensionale Werkstück. Mittlerweile sind vielfältige Prozesse für Werkstoffe wie Kunststoffe, Harze, Keramiken und Metalle verfügbar. Der Prozess am Beispiel des Laserstrahlschmelz-Verfahrens (SLM) läuft folgendermaßen ab: 1. Verfahren- und werkstoffgerechtes Produktdesign als 3D-Datensatz 2. Aufteilung des 3D-Datensatzes in feine Schichten 3. Schichtweiser Aufbau des fi nalen Produktes aus dem pulvrigen Bett 4. Wärmenachbehandlung zur Verbesserung der Werkstoffeigenschaften (optional) 5. Mechanische Nachbearbeitung zur Entfernung von Stützstrukturen Verteilerrolle Spiegel Bauteil Laser Stützstrukturen Pulver Vorratskammer Druckkammer Bauplattform 5

Die Möglichkeit Bauteile additiv zu fertigen erhöht die Funktionalität und Performance von technischen Lösungen.

6 ELiSE AM entwickelt kosteneffi ziente Hochleistungsbauteile für additive Fertigungsverfahren. Entwicklung mit ELiSE AM Funktionsintegration LED-Beleuchtung Wir sind davon überzeugt, dass durch die enge Verzahnung von Konstruktion und Berechnung bessere Produkte entwickelt werden. Das Bionic Bike zeigt das Ergebnis des ELiSE Produktentstehungsprozesses. In diesem werden klassische Ingenieursmethoden mit bionischen Entwicklungswerkzeugen kombiniert: o Topologieoptimierung zur Ermittlung optimaler Lastpfade o Parametrische Optimierung auf Basis von Evolutionsalgorithmen zur Auslegung der idealen Rahmengeometrie mit variablen Querschnittsformen und Wanddicken o CAO zur Kerbspannungsminimierung o Strukturversteifung mittels adaptiver Balkenstrukturen an hochbelasteten Bereichen im Inneren der Struktur o Integration bionischer Prinzipien nach dem Vorbild von Leichtbaustrukturen der Schalen von Diatomeen Funktionsintegration Kabelführung Verbindungsschnittstelle nach dem Vorbild von Diatomeen 60% Gewichtsersparnis 6

Das Bionic Bike zeigt das Ergebnis des ELiSE Produktentstehungsprozesses.

7 Bionic Bike wurde mit dem patentierten ELiSE Produktentstehungsprozess entwickelt LEICHTBAU Gefertigt im Laserstrahlschmelzen-Verfahren (SLM) durch die citim GmbH Komplexe bionische Kantenversteifung nach Vorbild von Diatomeen Belastungsoptimierte Rohrquerschnitte und -dicken Assymetrie für eine homogene Lastverteilung Komplexe bionische Verbindungskonzepte nach Vorbild von Diatomeen Versteifende Gitterstrukturen in hochbelasteten Bereichen 7

Diatomeen Belastungsoptimierte Rohrquerschnitte und -dicken Assymetrie für eine homogene Lastverteilung

8 Adaptive Gitterstrukturen für belastungsgerechte Versteifung Additive Manufacturing sorgt für bis dato unerreichte Freiheiten in der Formgebung. Gleichzeitig bietet es die Möglichkeit Hohlstrukturen punktuell an lokale Lasten anzupassen. Diese Bereiche können mit belastungsgerecht ausgelegten Gitterstrukturen versteift werden. In ELiSE AM stehen zu diesem Zweck eigens dafür entwickelte Algorithmen zur Verfügung. Das Bionic Bike profi tiert beispielsweise im Bereich des hochbelasteten Tretlagers von der Versteifung durch adaptive Gitterstrukturen. Freie Kombination von inneren Versteifungsstrukturen und äußeren Begrenzungsfl ächen Ausrichtung von Streben in eine Hauptrichtung zur anisotropen Versteifung von Hauptlastpfaden 8

In ELiSE AM stehen zu diesem Zweck eigens dafür entwickelte Algorithmen zur Verfügung.

9 Ihre Vorteile Bei näherer Betrachtung der additven Fertigung ergeben sich zahlreiche Vorteile, die Sie für Ihre Produkte nutzen können: o Einsatz der adaptiven Gitterstrukturen für belastungsgerechte Versteifungen o Ausschöpfung des gesamten Potenzials bionischer Strukturauslegung mit ELiSE Leichtbau o Patentierter Produktentstehungsprozess für beste Optimierungsergebnisse o Freiheiten im Design für hoch-optimierte Strukturen o Leichtbau in einer neuen Dimension o Keine Werkzeugkosten o Kostenreduktion durch Funktionsintegration und Reduktion der Bauteilanzahl o Flexible Just-in-time Fertigung o Schnelle Marktreife o Individualisierte Produkte und Varianten Adaptive Gitterfeinheit zur fl exiblen Gestaltung des Versteifungsgrades 9

Optimierungsergebnisse o Freiheiten im Design für hoch-optimierte Strukturen o Leichtbau in einer neuen Dimension o Keine Werkzeugkosten o Kostenreduktion durch Funktionsintegration

10 Unsere Leistung: Innovative Produktentwicklungen ELiSE AM für Ihre Produktentwicklung Kontinuierlich verbesserte Bauteile stoßen irgendwann an die Grenzen ihres Optimierungspotenzials. Mit ELiSE Leichtbau setzen wir genau an dieser Stelle an. ELiSE Leichtbau besteht aus ELiSE Concept und ELiSE Engineering. Mit ELiSE Concept generieren wir radikale Neukonzepte nach dem Vorbild der Natur, die für Ihr Produkt neue Maßstäbe setzen, vollkommen neue Ideen realisieren und unkonventionelle Lösungswege beschreiten. Mit ELiSE Engineering bieten wir Ihnen ein breites Spektrum an ingenieurwissenschaftlichen Leistungen. Eine starke Kopplung von Konstruktion, Berechnung und Optimierung ist eine hervorragende Grundlage dafür, effi ziente und kundenspezifi sche Leichtbaulösungen entwickeln zu können. Mit ELiSE Engineering entwickeln wir gemeinsam mit Ihnen Ihre vorhandenen Produkte weiter oder nutzen die radikalen Neukonzepte aus ELiSE Concept als Ausgangspunkt der Produktentwicklung. Mit ELiSE AM sorgen wir schließlich dafür, dass im bionischen Produktentstehungsprozess ELiSE Leichtbau die Randbedingungen und Möglichkeiten des Additive Manufacturings berücksichtigt werden. Der modulare Aufbau von ELiSE Leichtbau erlaubt es uns jedes Projekt vollkommen auf Ihre individuellen Bedürfnisse anzupassen. 10

Mit ELiSE Concept generieren wir radikale Neukonzepte nach dem Vorbild der Natur, die für Ihr Produkt neue Maßstäbe setzen, vollkommen neue Ideen realisieren und unkonventionelle Lösungswege

11 Concept LEICHTBAU Engineering LEICHTBAU Manufacturing LEICHTBAU AM-Fertigung Parametrische Optimierung Parametrische Optimierung FE-Analyse Optimierungsgrad Empfehlungen FE-Analyse FE-Analyse CAD Topologie- Optimierung CAD ELiSE Screening Topologie- Optimierung Kontaktieren Sie uns für ein unverbindliches Angebot Technische Spezifi kationen Technische Spezifi kationen Technische Spezifi kationen Technische Spezifi kationen S M L Ihr Projekt 11

Optimierung CAD ELiSE Screening Topologie- Optimierung Kontaktieren Sie uns für ein unverbindliches Angebot

12 Bionic Bike. Entwickelt mit ELiSE AM. Dr. Christian Hamm Alfred - Wegener - Institut (AWI) Bussestraße 27, Bremerhaven Mail: christian.hamm@awi.de Fon: Web:

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